CN104655193A - 一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪。本发明解决了现有的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和测量距离的问题。一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪，包括噪声信号源、分布式反馈半导体激光器、第一光纤耦合器、第一光放大器、光环行器、传感光纤、第二光放大器、可调谐光滤波器、可变光延迟线、第三光放大器、第二光纤耦合器、光电探测器、信号处理及显示装置；其中，噪声信号源的输出端通过高频同轴电缆与分布式反馈半导体激光器的输入端连接；分布式反馈半导体激光器的输出端与第一光纤耦合器的输入端连接。本发明适用于分布式光纤传感领域。

Description

一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感系统，具体是一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪。

背景技术

分布式光纤传感系统是指同时利用光纤作为传感元件和传输元件，可以实现整根光纤长度上不同位置的温度和应变的测量的系统。目前，分布式光纤传感系统可分为如下三种：基于瑞利散射的分布式光纤传感系统、基于拉曼散射的分布式光纤传感系统、基于布里渊散射的分布式光纤传感系统。其中，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统由于其在温度和应变测量上所能达到的测量精度、测量距离、空间分辨率相比另外两种分布式光纤传感系统具有明显的优势，并且能实现对温度和应变的同时测量，而成为该领域的研究热点。

在现有技术条件下，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统可分为如下四种：基于布里渊光时域反射（BOTDR，Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry)的分布式光纤传感系统、基于布里渊光时域分析（BOTDA，Brillouin Optical Time-Domain Analysis）的分布式光纤传感系统、基于布里渊光相关域反射（BOCDR, Brillouin Optical Correlation Domain Reflectometry）的分布式光纤传感系统、基于布里渊光相关域分析（BOCDA, Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）的分布式光纤传感系统。其中，基于布里渊光时域的两种分布式光纤传感系统（BOTDR、BOTDA）的优点是测量距离较长，但受限于声子寿命，这两种分布式光纤传感系统的空间分辨率较低（最好只能达到1m），且测量时间较长，无法实现实时测量。例如，华北电力大学李永倩等人在10km的传感光纤上获得了1m的空间分辨率（电子器件, 2008, vol.31, no.3, 752），瑞士Luc Thevenaz等人在47km的传感长度上获得了7m的空间分辨率（Sensors Journal, 2008, vol.8, no.7, 1268）。基于布里渊光相关域的两种分布式光纤传感系统（BOCDR、BOCDA）的优点是空间分辨率较高，但由于正弦信号对激光信号进行频率调制产生的相关峰具有周期性，使得这两种分布式光纤传感系统的测量距离受限于相关峰之间的间距，导致测量距离较短。例如，日本Kazuo Hotate等人在20m的传感范围内实验实现了10cm的空间分辨率（Photonics Technology Letters, 2007, vol.19, no.23, 1928）。

综上所述，现有的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统由于自身原理所限，存在无法兼顾空间分辨率和测量距离的问题。为此有必要发明一种全新的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，以解决现有的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统存在的上述问题。

发明内容

本发明为了解决现有的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和测量距离的问题，提供了一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪，包括噪声信号源、分布式反馈半导体激光器、第一光纤耦合器、第一光放大器、光环行器、传感光纤、第二光放大器、可调谐光滤波器、可变光延迟线、第三光放大器、第二光纤耦合器、光电探测器、信号处理及显示装置；其中，噪声信号源的输出端通过高频同轴电缆与分布式反馈半导体激光器的输入端连接；分布式反馈半导体激光器的输出端与第一光纤耦合器的输入端连接；第一光纤耦合器的第一个输出端通过单模光纤跳线与第一光放大器的输入端连接；第一光放大器的输出端通过单模光纤跳线与光环行器的输入端连接；光环行器的反射端与传感光纤连接；光环行器的输出端与第二光放大器的输入端连接；第二光放大器的输出端通过单模光纤跳线与可调谐光滤波器的输入端连接；第一光纤耦合器的第二个输出端通过单模光纤跳线与可变光延迟线的输入端连接；可变光延迟线的输出端通过单模光纤跳线与第三光放大器的输入端连接；可调谐光滤波器的输出端通过单模光纤跳线与第二光纤耦合器的第一个输入端连接；第三光放大器的输出端通过单模光纤跳线与第二光纤耦合器的第二个输入端连接；第二光纤耦合器的输出端与光电探测器的输入端连接；光电探测器的输出端通过高频同轴电缆与信号处理及显示装置的输入端连接。

具体工作过程如下：噪声信号源发出噪声信号，所发出的噪声信号进入分布式反馈半导体激光器。分布式反馈半导体激光器发射激光，所发射的激光经噪声信号调制后入射到第一光纤耦合器，并通过第一光纤耦合器分为两路：一路作为泵浦光信号，另一路作为参考光信号。泵浦光信号入射到第一光放大器，并通过第一光放大器进行放大，然后入射到光环行器，并通过光环行器入射到传感光纤中，使得传感光纤中各个位置均产生后向布里渊散射光信号（后向布里渊散射光信号携带了传感光纤中各个位置的温度和应变信息），所产生的后向布里渊散射光信号入射到光环行器，并通过光环行器入射到第二光放大器，然后通过第二光放大器进行放大，继而入射到可调谐光滤波器，并通过可调谐光滤波器将混杂的后向瑞利散射光信号以及ASE噪声进行滤除，然后入射到第二光纤耦合器。参考光信号入射到可变光延迟线，并通过可变光延迟线进行参考光光程调节，然后入射到第三光放大器，并通过第三光放大器进行放大，然后入射到第二光纤耦合器。参考光信号和传感光纤中特定位置（这一位置随着参考光信号的光程改变而发生改变）产生的后向布里渊散射光信号在第二光纤耦合器中发生干涉，并产生干涉信号，所产生的干涉信号由光电探测器接收，并通过光电探测器转换为电信号（该电信号包括直流信号部分和交流信号部分，其中交流信号部分包含了干涉信号的变化信息，是需要的信号）。该电信号中的交流信号部分输入到信号处理及显示装置，信号处理及显示装置显示对应的频谱。该频谱的中心频率即为传感光纤中特定位置产生的后向布里渊散射光信号的频移量，该频谱的中心强度即为传感光纤中特定位置产生的后向布里渊散射光信号的功率值。根据传感光纤中特定位置产生的后向布里渊散射光信号的频移量和功率值，即可得出传感光纤中特定位置的温度和应变信息（这是由于传感光纤中产生的后向布里渊散射光信号的频移量和功率值与传感光纤中的温度和应变信息之间存在着确定的关系，当传感光纤中的温度和应变信息发生改变时，传感光纤中产生的后向布里渊散射光信号的频移量和功率值也随之发生改变）。

基于上述过程，与现有的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统相比，本发明所述的一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪具有如下优点：一、与基于布里渊光时域的两种分布式光纤传感系统（BOTDR、BOTDA）相比，本发明所述的一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪的空间分辨率等于经噪声信号调制后的激光的相干长度（亦即反比于经噪声信号调制后的激光的光谱线宽）。经噪声信号调制后的激光相比于脉冲激光或连续激光，具有光谱较宽、相干长度可调节、频谱带宽可控的特性。因此，通过调节噪声信号的幅度及带宽，即可获得相干长度很短的激光，由此使得空间分辨率大幅提高。此外，本发明所述的一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪采用频谱分析仪作为信号处理及显示装置，操作简单，且测量时间短于1秒，由此使得测量时间大幅缩短，从而实现了实时测量。二、与基于布里渊光相关域的两种分布式光纤传感系统（BOCDR、BOCDA）相比，本发明所述的一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪采用经噪声信号调制后的激光作为泵浦光信号和参考光信号。由于经噪声信号调制后的激光具有无周期特性，使得测量距离不再受限于相关峰之间的间距，由此使得测量距离大幅延长。三、与基于布里渊光时域的两种分布式光纤传感系统（BOTDR、BOTDA）相比，本发明所述的一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪采用噪声信号直接调制激光器，省去了昂贵的脉冲信号发生器、高频信号微波源、高性能的电光吸收调制器，由此使得结构更加简单、成本更加低廉。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有的基于布里渊散射的分布式光纤传感系统无法兼顾空间分辨率和测量距离的问题，适用于分布式光纤传感领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1-噪声信号源，2-分布式反馈半导体激光器，3-第一光纤耦合器，4-第一光放大器，5-光环行器，6-传感光纤，7-第二光放大器，8-可调谐光滤波器，9-可变光延迟线，10-第三光放大器，11-第二光纤耦合器，12-光电探测器，13-信号处理及显示装置。

具体实施方式

一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪，包括噪声信号源1、分布式反馈半导体激光器2、第一光纤耦合器3、第一光放大器4、光环行器5、传感光纤6、第二光放大器7、可调谐光滤波器8、可变光延迟线9、第三光放大器10、第二光纤耦合器11、光电探测器12、信号处理及显示装置13；

其中，噪声信号源1的输出端通过高频同轴电缆与分布式反馈半导体激光器2的输入端连接；分布式反馈半导体激光器2的输出端与第一光纤耦合器3的输入端连接；

第一光纤耦合器3的第一个输出端通过单模光纤跳线与第一光放大器4的输入端连接；第一光放大器4的输出端通过单模光纤跳线与光环行器5的输入端连接；光环行器5的反射端与传感光纤6连接；光环行器5的输出端与第二光放大器7的输入端连接；第二光放大器7的输出端通过单模光纤跳线与可调谐光滤波器8的输入端连接；第一光纤耦合器3的第二个输出端通过单模光纤跳线与可变光延迟线9的输入端连接；可变光延迟线9的输出端通过单模光纤跳线与第三光放大器10的输入端连接；

可调谐光滤波器8的输出端通过单模光纤跳线与第二光纤耦合器11的第一个输入端连接；第三光放大器10的输出端通过单模光纤跳线与第二光纤耦合器11的第二个输入端连接；第二光纤耦合器11的输出端与光电探测器12的输入端连接；光电探测器12的输出端通过高频同轴电缆与信号处理及显示装置13的输入端连接。

具体实施时，所述噪声信号源1采用任意波形发生器；所述分布式反馈半导体激光器2采用中心波长为1550nm的分布式反馈半导体激光器；所述第一光放大器4采用高功率掺铒光纤放大器；所述传感光纤6采用G652单模光纤或G655单模光纤；所述第二光放大器7采用普通光纤放大器；所述可调谐光滤波器8采用可调谐光纤布拉格光栅；所述可变光延迟线9采用ODG-101高精度可编程光延迟线；所述第三光放大器10采用普通光纤放大器；所述信号处理及显示装置13采用频谱分析仪。分布式反馈半导体激光器所发射的激光经噪声信号调制后，具有相干长度可调谐、频谱带宽可控以及无周期的特性。

Claims (3)

1.一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪，其特征在于：包括噪声信号源（1）、分布式反馈半导体激光器（2）、第一光纤耦合器（3）、第一光放大器（4）、光环行器（5）、传感光纤（6）、第二光放大器（7）、可调谐光滤波器（8）、可变光延迟线（9）、第三光放大器（10）、第二光纤耦合器（11）、光电探测器（12）、信号处理及显示装置（13）；

其中，噪声信号源（1）的输出端通过高频同轴电缆与分布式反馈半导体激光器（2）的输入端连接；分布式反馈半导体激光器（2）的输出端与第一光纤耦合器（3）的输入端连接；

第一光纤耦合器（3）的第一个输出端通过单模光纤跳线与第一光放大器（4）的输入端连接；第一光放大器（4）的输出端通过单模光纤跳线与光环行器（5）的输入端连接；光环行器（5）的反射端与传感光纤（6）连接；光环行器（5）的输出端与第二光放大器（7）的输入端连接；第二光放大器（7）的输出端通过单模光纤跳线与可调谐光滤波器（8）的输入端连接；第一光纤耦合器（3）的第二个输出端通过单模光纤跳线与可变光延迟线（9）的输入端连接；可变光延迟线（9）的输出端通过单模光纤跳线与第三光放大器（10）的输入端连接；

可调谐光滤波器（8）的输出端通过单模光纤跳线与第二光纤耦合器（11）的第一个输入端连接；第三光放大器（10）的输出端通过单模光纤跳线与第二光纤耦合器（11）的第二个输入端连接；第二光纤耦合器（11）的输出端与光电探测器（12）的输入端连接；光电探测器（12）的输出端通过高频同轴电缆与信号处理及显示装置（13）的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪，其特征在于：所述噪声信号源（1）采用任意波形发生器；所述分布式反馈半导体激光器（2）采用中心波长为1550nm的分布式反馈半导体激光器；所述第一光放大器（4）采用高功率掺铒光纤放大器；所述传感光纤（6）采用G652单模光纤或G655单模光纤；所述第二光放大器（7）采用普通光纤放大器；所述可调谐光滤波器（8）采用可调谐光纤布拉格光栅；所述可变光延迟线（9）采用ODG-101高精度可编程光延迟线；所述第三光放大器（10）采用普通光纤放大器；所述信号处理及显示装置（13）采用频谱分析仪。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于噪声调制的布里渊光相干反射仪，其特征在于：分布式反馈半导体激光器所发射的激光经噪声信号调制后，具有相干长度可调谐、频谱带宽可控以及无周期的特性。